碳化硅時(shí)代 引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)“芯”變革

電驅(qū)系統(tǒng)與芯片雖分屬不同領(lǐng)域，但卻關(guān)系密切，因此需各環(huán)節(jié)緊密協(xié)作、協(xié)同發(fā)展。二者的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新，將成為推動(dòng)整個(gè)行業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。

近年來(lái)，隨著汽車電子電器系統(tǒng)向高度集成化、智能化的方向快速發(fā)展，行業(yè)正步入一個(gè)更高效、更節(jié)能、更智能的新紀(jì)元。然而，在這一進(jìn)程中，汽車電驅(qū)系統(tǒng)和功率器件的創(chuàng)新之路卻并非一帆風(fēng)順。研發(fā)的長(zhǎng)期高成本投入、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)滯后，以及產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)與合作難題，都是當(dāng)前汽車芯片企業(yè)亟待解決的重要挑戰(zhàn)。

為推動(dòng)汽車芯片產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2024年12月5日-6日，2024全球汽車芯片創(chuàng)新大會(huì)在無(wú)錫濱湖召開。其中，于2024年12月6日下午舉辦的“汽車電驅(qū)系統(tǒng)和功率器件創(chuàng)新發(fā)展”專業(yè)論壇尤為引人矚目。

據(jù)悉，此次旨在為行業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者、企業(yè)代表提供一個(gè)交流思想、分享經(jīng)驗(yàn)、碰撞智慧的平臺(tái)，共同探討如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和芯片產(chǎn)業(yè)的高效協(xié)同發(fā)展。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)專務(wù)副秘書長(zhǎng)羅軍民為論壇致辭。

廣州小鵬汽車科技有限公司硬件開發(fā)總監(jiān)楊恒，聯(lián)合汽車電子有限公司電力電子開發(fā)總監(jiān)王小昆，同濟(jì)大學(xué)英飛凌“微控制器與嵌入式系統(tǒng)”基金教席教授、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院-維克多汽車技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任朱元，基本半導(dǎo)體（無(wú)錫）有限公司副總經(jīng)理孫炎權(quán)，東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院電驅(qū)動(dòng)硬件開發(fā)正高級(jí)工程師、主任工程師蔡丹丹，中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)侯喜鋒，合肥巨一動(dòng)力系統(tǒng)有限公司研發(fā)中心副總經(jīng)理張紅玉，中國(guó)電科集誠(chéng)汽車電子有限責(zé)任公司智慧底盤產(chǎn)品線總經(jīng)理胡波，以及科瑞卓信（北京）咨詢有限公司高級(jí)研究經(jīng)理劉譽(yù)博等眾多行業(yè)專家學(xué)者及企業(yè)精英接連登臺(tái)演講，圍繞電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和功率器件的前沿技術(shù)、電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用、系統(tǒng)集成與優(yōu)化等議題，為汽車電驅(qū)系統(tǒng)和功率器件的創(chuàng)新發(fā)展提供了海量的新思路。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)車用電機(jī)電器電子分會(huì)秘書長(zhǎng)吳浩軍主持了本場(chǎng)論壇。

SiC技術(shù)崛起，驅(qū)動(dòng)電驅(qū)系統(tǒng)革新

在致詞環(huán)節(jié)，羅軍民指出，電驅(qū)系統(tǒng)是新能源汽車的“心臟”，而芯片則是電驅(qū)系統(tǒng)的“大腦”。二者的技術(shù)進(jìn)步和性能提升將直接影響到新能源汽車的性能、效率和用戶體驗(yàn)，是推動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力之一。

《汽車縱橫》記者了解到，目前，寬禁帶半導(dǎo)體（第三代半導(dǎo)體）和相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，以及與之緊密相關(guān)的先進(jìn)封裝技術(shù)、高效散熱解決方案等，均是電驅(qū)系統(tǒng)和芯片產(chǎn)業(yè)的主要?jiǎng)?chuàng)新成果。會(huì)上，多位嘉賓就相關(guān)話題展開介紹。

據(jù)朱元介紹，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）均是典型的寬禁帶半導(dǎo)體，各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域。在一定時(shí)間內(nèi)，二者將是寬禁帶半導(dǎo)體當(dāng)中最主流的兩種形式。在他看來(lái)，前者將在800V的高端場(chǎng)景廣泛應(yīng)用，后者則會(huì)在400V以下的應(yīng)用場(chǎng)景占據(jù)一席之地，潛力甚至超過(guò)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。

然而，成本問(wèn)題是當(dāng)下限制碳化硅技術(shù)市場(chǎng)廣泛應(yīng)用的主要原因。據(jù)張紅玉介紹，由于損耗低、能效高，在2024年底，碳化硅在新能源汽車中的滲透率翻倍增長(zhǎng)，但是其價(jià)格卻是硅基IGBT的2-3倍，如果是進(jìn)口，價(jià)格還會(huì)跟高。

怎樣才能把碳化硅的成本降下來(lái)？這是整個(gè)行業(yè)需要共同思考的問(wèn)題。據(jù)侯喜鋒介紹，國(guó)內(nèi)碳化硅襯底、外延、裝備以及到器件、整車廠的產(chǎn)業(yè)鏈，都比較完善。但由于車規(guī)級(jí)芯片對(duì)于穩(wěn)定性要求較高，目前來(lái)看，國(guó)產(chǎn)芯片尚不能做到對(duì)進(jìn)口芯片的完全替代。而隨著國(guó)內(nèi)碳化硅材料制備技術(shù)的不斷進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，碳化硅功率器件的成本將持續(xù)降低，從而提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2024年6月，全球已有68款碳化硅車型進(jìn)入量產(chǎn)交付，國(guó)內(nèi)主力品牌以比亞迪、吉利、蔚來(lái)、小鵬、鴻蒙智行、小米等為主，埃安、智己等車型24年迅速起量。2024年1-10月，國(guó)內(nèi)碳化硅車型銷量已達(dá)178萬(wàn)輛，遠(yuǎn)超2023年全年水平。

楊恒在會(huì)上研判，隨著新能源汽車的普及，高壓化將成為未來(lái)新能源車三電系統(tǒng)的大趨勢(shì)。在此過(guò)程中，碳化硅將有望成為未來(lái)的主導(dǎo)技術(shù)。他預(yù)計(jì)，未來(lái)2-3年內(nèi)，碳化硅器件的成本將大幅度下降，這將顯著提升其在高壓平臺(tái)的市場(chǎng)滲透率。

孫炎權(quán)也提出了類似觀點(diǎn)。在他看來(lái)，隨著供應(yīng)鏈的投資增加和產(chǎn)能提升，碳化硅的成本將進(jìn)一步降低，這將是未來(lái)碳化硅市場(chǎng)的一個(gè)重要增長(zhǎng)點(diǎn)。此外，他還強(qiáng)調(diào)了碳化硅在模塊封裝方面的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為三合一、八合一等多合一的電控系統(tǒng)將成為標(biāo)配，這將進(jìn)一步推動(dòng)碳化硅的應(yīng)用。而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，碳化硅的應(yīng)用范圍也會(huì)逐步從高端車型向中低端車型滲透。

胡波則在會(huì)上介紹了中國(guó)電科近年來(lái)在汽車芯片領(lǐng)域取得的一系列成就。他表示，目前，中國(guó)電科已完成第三代半導(dǎo)體從材料、裝備、工藝到器件、模塊、應(yīng)用的體系化布局。其目標(biāo)是打造整個(gè)汽車電驅(qū)芯片與控制器穩(wěn)健供應(yīng)鏈。預(yù)計(jì)在2025年可以實(shí)現(xiàn)電驅(qū)芯片和控制器集群，在2027年?duì)幦∽龅絿?guó)內(nèi)一流，在2035年做到國(guó)際一流。

技術(shù)引領(lǐng)，推動(dòng)功率器件性能提升

盡管碳化硅器件具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但楊恒仍強(qiáng)調(diào)，在推動(dòng)碳化硅技術(shù)的進(jìn)程中，功率器件的電路設(shè)計(jì)同樣不容忽視。他特別指出兩點(diǎn)：首先，需盡量減少雜散電感，以確保器件在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)及均流特性上均滿足設(shè)計(jì)要求；其次，需采用CLAMP等技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，以防器件發(fā)生誤導(dǎo)通。

這一見解在會(huì)議上引起了廣泛共鳴。張紅玉進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了功率模塊發(fā)展中低雜感的重要性，并詳細(xì)闡述了如何通過(guò)層母排設(shè)計(jì)來(lái)削減正負(fù)極母排的雜散電感。她指出，層母排設(shè)計(jì)通過(guò)合理的布局與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠在很大程度上降低電感值，從而提升功率模塊的整體性能。同時(shí)，對(duì)于功率模塊內(nèi)部更為復(fù)雜的雜散電感問(wèn)題，張紅玉建議通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及采用先進(jìn)的封裝技術(shù)來(lái)尋求解決方案。

在探討技術(shù)路線時(shí)，張紅玉提到了以IGBT為主、碳化硅為輔的混聯(lián)形式。她認(rèn)為，這種混聯(lián)方案能夠充分利用IGBT和碳化硅各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。巨一動(dòng)力在這一領(lǐng)域的實(shí)踐就是一個(gè)生動(dòng)的例子。他們采用的碳化硅與IGBT混合并聯(lián)方案，在小電流時(shí)主要依賴碳化硅的高效率特性，而當(dāng)電流增大至IGBT的拐點(diǎn)電流后，則轉(zhuǎn)為IGBT與碳化硅共同導(dǎo)通，從而在保證效率的同時(shí)，也提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

朱元?jiǎng)t從另一個(gè)角度提出了創(chuàng)新性的解決方案——PCB嵌入式功率半導(dǎo)體技術(shù)。據(jù)介紹，通過(guò)PCB嵌入式功率半導(dǎo)體技術(shù)，可以顯著縮短元器件從碳化硅芯片到驅(qū)動(dòng)芯片的距離，從而有效降低機(jī)身電感雜感。據(jù)介紹，在PCB嵌入式功率模塊中，由于碳化硅芯片與驅(qū)動(dòng)芯片之間的距離被大幅縮短，功率換流回路的雜感被降低至1nH，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)HPD封裝的雜感水平。此外，這種特殊的PCB電路板能夠承受高達(dá)300℃的高溫，使得碳化硅芯片能在180～200℃的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。這一改進(jìn)不僅簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，還提升了系統(tǒng)的整體性能。

“三年之后，隨著PCB嵌入式功率半導(dǎo)體技術(shù)越來(lái)越成熟，將會(huì)有很大的市場(chǎng)潛力。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有創(chuàng)新的中小企業(yè)和英飛凌合作，并積累了一些知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已開發(fā)出來(lái)功率模塊樣品，即將進(jìn)行試驗(yàn)，我相信這將顛覆傳統(tǒng)的功率模塊封裝技術(shù)?！敝煸硎??！白罱K還是要融合創(chuàng)新，提高質(zhì)量，產(chǎn)業(yè)發(fā)展要靠國(guó)際化，要融合創(chuàng)新，無(wú)論誰(shuí)制裁誰(shuí)，這都不是理想方式。只有合作，這個(gè)事情才能做得更好?！焙钕蹭h如是說(shuō)。

據(jù)了解，除了碳化硅之外，IGBT、氮化鎵等新型半導(dǎo)體材料也面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如，如何在更小的芯片尺寸下實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出以及如何在性能與成本之間找到最佳平衡點(diǎn)，這實(shí)際上是所有廠商都需要深入思考的問(wèn)題。在多數(shù)與會(huì)嘉賓看來(lái)，只有從底層技術(shù)入手進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新，才能不斷提升產(chǎn)品的性能水平并在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

協(xié)同創(chuàng)新，助力產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

“供應(yīng)鏈安全保障需求的日益凸顯，為國(guó)產(chǎn)功率模塊在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用提供了前所未有的機(jī)遇。在汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這一復(fù)雜而精細(xì)的產(chǎn)業(yè)鏈中，整車企業(yè)作為引領(lǐng)者和推動(dòng)者，其積極參與不僅為半導(dǎo)體企業(yè)注入了強(qiáng)大的信心，更為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的資金流動(dòng)和技術(shù)研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。這種自上而下的合作模式，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間的緊密協(xié)作，形成了良性循環(huán)，為國(guó)產(chǎn)功率模塊在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”蔡丹丹深入剖析道。

她進(jìn)一步指出，在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速發(fā)展過(guò)程中，主機(jī)廠與半導(dǎo)體企業(yè)之間的協(xié)同合作至關(guān)重要。雙方應(yīng)攜手打造自主可控的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生態(tài)，以中國(guó)芯片、中國(guó)模塊和中國(guó)電驅(qū)動(dòng)總成為核心，構(gòu)建一套完整的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈體系。這一過(guò)程中，軟硬件的深度融合是關(guān)鍵，通過(guò)技術(shù)上的聯(lián)合攻關(guān)和產(chǎn)品上的協(xié)同研發(fā)，共同建立健全的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)業(yè)鏈的高安全性、高可靠性、高適用性和高穩(wěn)定性，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供有力保障。

“整零之間的協(xié)同創(chuàng)新不僅是技術(shù)突破的必要條件，也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的核心優(yōu)勢(shì)，通過(guò)整車廠-電驅(qū)系統(tǒng)-核心零部件之間的緊密合作，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的快速迭代與系統(tǒng)的整體優(yōu)化，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)力?！贬槍?duì)現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新存在的一系列問(wèn)題，劉譽(yù)博認(rèn)為需要大力推進(jìn)五類主體的參與。

首先是政府方面，需為技術(shù)自主提供政策補(bǔ)貼和專項(xiàng)資金，同時(shí)也應(yīng)發(fā)揮組織者或協(xié)調(diào)者作用，參與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，完善共享機(jī)制和保障供應(yīng)安全；其次是企業(yè)協(xié)同方面，需明確成本、成果、利益及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分配；行業(yè)組織方面，應(yīng)搭建協(xié)作平臺(tái)，促進(jìn)行業(yè)規(guī)范化和提升協(xié)同效率；科研機(jī)構(gòu)及高校領(lǐng)域，需加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，推動(dòng)前沿技術(shù)與學(xué)科融合，支持技術(shù)轉(zhuǎn)化和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，推進(jìn)三權(quán)改革；金融資本則需要有足夠的風(fēng)險(xiǎn)投資基金去支持全生命周期的創(chuàng)新，在分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)及優(yōu)化配置和體制機(jī)制設(shè)計(jì)上提供專業(yè)化的指導(dǎo)，推動(dòng)協(xié)同化的生態(tài)建設(shè)。

為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，羅軍民同樣提出三點(diǎn)建議：一是必須始終堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。持續(xù)加大研發(fā)投入，加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)電驅(qū)系統(tǒng)和芯片技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力；二是必須加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作與交流，推動(dòng)產(chǎn)、學(xué)、研、用深度融合，形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展合力，共同做大協(xié)同發(fā)展的成果，提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力；三是必須持續(xù)推進(jìn)開放合作，加強(qiáng)與國(guó)際同行的交流與合作，共同推動(dòng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和芯片產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。“格局有多大，世界就有多大?！绷_軍民強(qiáng)調(diào)，全球化發(fā)展是未來(lái)趨勢(shì)，開放合作是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。只有擁有全球化的視野和格局，才能集聚全球智慧，打造具有全球影響力的品牌，共同推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向更高水平發(fā)展。